摘 要

自阀控式铅酸蓄电池问世以来，由于其具有不排放酸雾，无需补充电解液等优点迅速成为当时重要的后备能源。如今阀控式铅酸蓄电池的发展已经较为成熟，在电力系统和通信系统中的应用十分广泛，如今电力以及通信系统中的供能多用阀控式铅酸蓄电池，由其寿命引发的一系列问题开始显露出来，比如因为阀控式铅酸蓄电池的失效而导致通信系统的瘫痪，进而引起巨大的经济损失。因此铅酸阀控式铅酸蓄电池的寿命预测仿真研究就具有十分重大的意义。

本文一开始就介绍阀控式铅酸蓄电池的工作原理，包括阀控式铅酸蓄电池的各项性能参数并给出了定义式。而后讨论了影响阀控式铅酸蓄电池的老化因素以及老化时阀控式铅酸蓄电池性能参数可能的变化，容量的衰减及内阻的增大是阀控式铅酸蓄电池老化的本质。而后本文介绍了常用的模拟阀控式铅酸蓄电池模型，包括Rint模型、戴维南模型、二阶RC环节模型。并介绍了如何预测单个电池寿命的电化学阻抗法，并在SIMULINK中搭建单个电池老化以及两节电池串联的老化模型。得出电池性能数据后，我们采用雨流计数法对数据经行处理，并采用SUMILINK进行仿真模拟。

关键词：阀控式铅酸蓄电池；电池老化；电化学阻抗法；雨流计数法

Abstract

Since the introduction of valve-regulated lead-acid batteries, it has become an important backup energy source because it has the advantages of not emitting acid mist and no need to replenish the electrolyte. At present, the development of valve-regulated lead-acid batteries has become more and more widely used in power systems and communication systems. As VRLA batteries are increasingly used in power and communication systems, a series of problems are caused by their life spans. It began to show up, for example, because of the failure of valve-regulated lead-acid batteries, which led to the collapse of the communication system, and caused huge economic losses. Therefore, the life of lead-acid valve-regulated lead-acid batteries has become increasingly significant.

This article starts with the principle of valve-regulated lead-acid battery and introduces the performance parameters of valve-regulated lead-acid battery in detail. Then, the aging factors of valve-regulated lead-acid batteries and the changes of performance parameters of valve-regulated lead-acid batteries during aging are discussed in detail. It is concluded that the aging of valve-regulated lead-acid batteries is essentially an attenuation of capacity and an increase in resistance. . Then this paper introduces commonly used models to simulate valve-regulated lead-acid batteries, including Rint model, Thevenin model, and second-order RC model. And introduced how to predict the electrochemical impedance method of a single battery life, and build a single battery aging and two-cell battery aging model in SIMULINK. Finally, using the rainflow counting method to calculate the depth of discharge of a single battery and the simulation results of the SIMULINK model.

Key Words：Valve-regulated lead-acid battery;Battery aging;Electrochemical impedance method;Rainflow counting method

第一章 绪 论 2

1.1选题来源以及研究意义 2

1.2研究现状 2

1.2.1铅酸蓄电池使用现状 2

1.2.2阀控式铅酸电池寿命研究 3

1.3论文主要研究内容 3

第二章 阀控式铅酸蓄电的老化研究 5

2.1阀控式铅酸蓄电池的结构及工作原理 5

2.1.1阀控式铅酸蓄电池的结构 5

2.1.2阀控式铅酸蓄电池的工作原理 5

2.2阀控式铅酸蓄电池的主要技术参数 6

2.2.1阀控式铅酸蓄电池的容量 6

2.2.2阀控式铅酸蓄电池的电压 6

2.2.3阀控式铅酸蓄电池的放电时率和放电倍率 6

2.2.4阀控式铅酸蓄电池的内阻 7

2.2.5阀控式铅酸蓄电的老化 9

2.3阀控式铅酸蓄电池的检测方法 11

第三章 阀控式铅酸蓄电池的模型搭建 12

3.1阀控式铅酸蓄电池的等效电路模型 12

3.1.1阀控式铅酸蓄电池的等效电路模型的分类 12

3.1.2蓄电池的等效电路模型的改进 13

3.2电化学阻抗法 13

3.3阀控式铅酸蓄电池的阻抗模型 14

3.3.1收集实验数据 14

3.3.2电池老化与电池内部变量的关系 15

3.4阀控式铅酸蓄电池的容量指标 21

3.5 MATLAB\SIMULINK阀控式铅酸蓄电池仿真模型搭建 22

第四章 阀控式铅酸蓄电池的寿命预测研究 24

4.1寿命预测方法概述 24

4.2阀控式铅酸蓄电池等效循环寿命预测 25

4.2.1雨流计数法计算放电深度 25

4.2.2等效循环寿命的计算 26

第五章 仿真结果的比较以及处理 28

5.1单节电池在循环充放中的老化 28

5.2 模型仿真结果及对比 31

5.2.1电池电压仿真结果及对比 31

5.2.2 SOC仿真结果及对比 32

5.2.3 SOH仿真结果及对比 33

5.3 仿真结果分析 33

结论 34

第一章 绪 论

通信系统的心脏就是通信电源，为保证通信系统安全、可靠运行，一个稳定的供电系统是必不可少的。如果通信电源发生故障而无法对通信系统供能，通信设备就无法正常运行，通信系统极有可能瘫痪，从而引起极大的经济和社会效益损失。因此，通信电源系统在通信系统中占据十分重要的位置，通常我们使用铅酸蓄电池组对通信电源供能。正因为通信电源在通信系统中十分重要的意义，则对于其串联铅酸电池组容量状况的了解以及寿命的预估就具有十分重要的意义。

1.1选题来源以及研究意义

选题来源于本科阶段毕业设计。

铅酸蓄电池的历史已有上百年。在使用过程中，人们对铅酸蓄电池的了解逐渐加深研究程度也随之加深，陆续有新型的铅酸电池被发明。虽然现如今铅酸电池种类繁多且设计成熟尤其阀控式铅酸蓄电池，但是对于电池老化以及寿命的研究在国内还尚有欠缺，这就需要研究者找到电池老化的规律以及可能会影响电池寿命的原因，比如，电池电解液的损失或者电极活性物质的损失。于是就存在一个更基本的问题，如何界定电池的寿命。电池的寿命是一个很笼统的概念，对于不同的用电器件电池的寿命显然是不同的。比如电动汽车以及电动自行车的区别。众所周知，电池是有许许多多的参数的，不同的参数显然反映了电池不同特性的。所以就需要从电池的众多参数中找到一个或者多个可以衡量电池寿命的参数，参数越多，测量越准确，但这样就引发了成本以及计算机所能达到的拟真度的问题。对于通信电源来说，最重要的是电池的放电电流稳定以及放电电压稳定。因此选择电池的容量作为衡量电池质量以及电池寿命的参数。对于电池来说，电池的容量决定了电池可以维持质量的放电时间，在电池容量降低以后，电池的放电就趋于不稳定可使用时间也会降低。鉴于通信电源对电池要求很高，因此选择电池的容量来衡量电池的寿命。

通信电源中，电池一般是以串联在一起组成电池组供能的，所谓不均衡，即是电池组内电池的容量不一致。电池的电流一致但其内部阻抗并不一致导致两个电池的放电速度等量的不一致，进而导致两个电池的阻抗变化的速率不一致。阻抗会阻碍电池的电量释放，当阻抗大到一定程度时就会导致电池的大部分电量无法释放，此时，电池在容量上的表现就是减小，一般也就认为电池的寿命达到终点。

1.2研究现状

1.2.1铅酸蓄电池使用现状

100多年前第一个铅酸电池诞生，历经发展，铅酸电池在理论研究、产品种类及品种、电气性能方面都得到发展。目前阀控式铅酸蓄电池常用于对通信电源的供能。这种电池的特点也是优点就是使用期间不用加酸加水维护电解液的浓度，电池为密封结构，不漏酸，也不放出酸雾且能自动保持电解液的气压。

1.2.2阀控式铅酸电池寿命研究

预测阀控式铅酸蓄电池的剩余服务寿命或遗留寿命也叫蓄电池的寿命预测。

预测阀控式铅酸蓄电池的寿命受到很多因素的影响，困难在于如何准确快捷的预测出电池的剩余寿命。近来常用的阀控式铅酸蓄电池的寿命预测法可以分为两类：经验法、性能法。

经验法：经验法是基于统计规律的方法，主要有：

1.老化积累法：老化积累法是将会引起寿命缩减的特定事件综合起来并定义不同事会件对电池引起何种损伤。电池的寿命减去电池的寿命衰减就是电池的剩余寿命。

2.安时法与加权安时法：此种方法就是认为电池在使用生涯可以释放的电量是一个定值，并且此值是累加每次电池充放中所释放的电量得到的。这种方法下，电池的寿命终结意味着电池的安时电量积累到一定程度。加权法是在基础之上进行改造，在统计，计算电量的时候考虑了在放出相同电量的情况下，放电环境的不同会对电池造成何种损伤的影响。即对不同放电环境下给放电量乘了一个不同的加权因子（近似处理的系数），当加权后电量数累计达到某个值后则认为电池寿命终结。

3.循环周期法：此种方法是认为电池可以进行的满冲放电的次数是一定的，当电池满充放电次数达到该次数时则认为电池的寿命终结。同样，为了使预测更加准确，通常还会考虑电池在不同使用环境以及使用不同的循环方式对寿命的影响。

性能法：基于数据驱动，基于机理，基于特征。

1. 测量得到电池的各项性能数据，利用数据可以总结出电池性能的演变规律，最后将数据输入计算机并利用这些数据模拟电池的老化就是基于数据驱动的寿命预测。
2. 阀控式铅酸蓄电池的本质依然是原电池，因此可以利用电池内部的电化学反应来描述电池内部的状态，当利用电化学反应描述电池的老化时就是基于机理的寿命预测。
3. 基于特征的寿命预测是测量电池老化中表现出的一些变化剧烈的参数作为特征参数，而后将特征参数与电池的老化程度挂钩，建立一个类似于以特征参数为自变量，老化程度为因变量的函数关系，以此来预测寿命。

1.3论文主要研究内容

本文主要研究阀控式铅酸蓄电池容量不均衡对寿命的影响及仿真研究。电池组的容量不均衡就意味着电池无法正常的工作。具体就是，电池组在容量不均衡时，电池组内总会有一个电池先放完电，这样会使容量较大的电池的工作电压长期低于额定电压10%而导致亏电，在充电时，容量的不均衡一定会出现的情况是小容量电池充满，而大容量电池未充满的情况，此时如果充电则小容量电池会因为过充而损坏，如果不充则大容量电池会因亏点而损坏。

本文主要采用雨流计数法预测电池的寿命。

阀控式铅酸蓄电的老化研究

2.1阀控式铅酸蓄电池的结构及工作原理

2.1.1阀控式铅酸蓄电池的结构

阀控式铅酸蓄电池的主要组成部分有：外壳、极耳、隔板、安全阀、正负极柱等。如图2-1所示：

图 2-1 阀控式铅酸蓄电池内部结构

2.1.2阀控式铅酸蓄电池的工作原理

阀控式铅酸蓄电池本质是原电池，工作原理是活性物质的电子交换，但伴随着电子的交换往往正极会有少量氧气产生这部分氧气会扩散到负极吸收电子重新变回离子状态。只要上述过程的平衡不被破坏，就不会有多余气体产生，那么水也不会损失，理论上电解液的浓度也就不会改变。而上述只是在理想状况下，而电池不可能工作在理想状况下，气体也不会被全部化和，当多余气体积攒到一定程度时电池内部的气压就会改变，会使电池工作在异常状态。所谓阀控就是就是在电池外壳上安装一个阀门，排出多余气体。

传统的铅酸电池内部发生的电化学反应也是发生在阀控式铅酸蓄电池内部的电化学反应：

正极：

负极：

整个电池的总反应方程式：

2.2阀控式铅酸蓄电池的主要技术参数

2.2.1阀控式铅酸蓄电池的容量

一般来说电池储存的电量的量就是电池的容量，常常用符号C表示。常用的单位有安时，本质是当前放电电流乘当前时间，电池容量的单位还有毫安时。一般来讲，电池的容量被分为三种，分别是：理论容量、额定容量、实际容量。

电池的容量定义为

（2-1）

理论容量是理论上一个电池在理想状况下能放出的最大容量，它是由电池内部活性物质的量利用法拉第公式计算得出的

对于阀控式铅酸蓄电池来说，当其恒流放电时电池容量的表达式就可以另写为：

（2-2）

如上文所述，容量的概念是指电池能量可能转化的量，如果，阀控式铅酸蓄电池在使用过程中端电压维持不变，则阀控式铅酸蓄电池的能量输出表达式就可以改写为： （2-3）

2.2.2阀控式铅酸蓄电池的电压

1.电池开路时在电源两端测得的电压就是电池的开路电压，其数值上等于电池正极电势与负极电势之差。阀控式铅酸蓄电池的开路电压表示为公式形式就如下所示：

（2-4）

上文已讲开路电压等于正负极电压之差，因此在式中Ez为阀控式铅酸蓄电池的正电极电压，单位为伏特（V）；Ef为阀控式铅酸蓄电池负电极电压，单位为伏特（V）。

1. 工作电压是指电池在工作中所测得的电压，亦称放电电压，初始电压就是指电池在刚刚开始工作时的放电电压。电池在接通负载后，由于欧姆电阻和极化电阻的存在，电池的工作电压一般是会低于开路电压。其中放电电压常用V表示:

（2-5）

1. 充电电压

充电时加在阀控式铅酸蓄电池两端的电压就是电池的充电电压。

2.2.3阀控式铅酸蓄电池的放电时率和放电倍率

1. 放电时率

阀控式铅酸蓄电池的放电时率就是指电池以一个恒定的电流放电，放电至电池终止电压的放电时间。放电时率可以用下式表示：

（2-6）

式中，Tk为放电时间，单位为小时（h）；Ck为K小时内电池放出的电量，单位为安时（Ah）；Ik为K小时内的放电电流，单位为安培（A）。

1. 放电倍率

为了比较两个两个不同的电池放电效率，引入一个新概念：蓄电池在规定时间内放出其额定容量的最小电流，这个电流与电池容量的比值就是放电倍率：

（2-7）

式中，X为放电倍率，单位（C）；I为放电电流，单位（A）；C为阀控式铅酸蓄电池的额定容量，单位（Ah）。

2.2.4阀控式铅酸蓄电池的内阻

所谓内阻一般指的是阀控式铅酸蓄电池在释放内部存储的能量时所受到的阻力^[1]。阀控式铅酸蓄电池的内阻一般被分为极化电阻和欧姆电阻两类。欧姆电阻主要是电池内部的电极、电解液、隔膜、栅板、连接条、极柱等零部件之间能量转换并不能达到100%产生的对于电量释放的阻碍作用。也就是说随着阀控式铅酸蓄电池的不断使用，栅板以及电极会发生物理上的变形，由此也会引发内阻的改变。但是由于一个电阻的检测周期相对电池的整个寿命是十分短暂的，所以在蓄电池的一个电阻检测周期内我们可以近似认为电阻的内阻是不会发生改变的。因此测出的电池内阻应该是一系列的离散化数据。极化电阻主要是由浓度差和极化内阻组成的。电解液中离子浓度的变化引起了浓差的变化进而影响到浓差极化电阻，根据电化学原理可知电解液中参与反应的离子浓度是不断变化的，而浓差极化内阻的数值是与反应离子的浓度决定的，因此极化电阻的数值也是在一直在变化的。除此之外，极化电阻的数值也会因为测量方法或者测量时间的改变而改变。一般来讲只要阀控式铅酸蓄电池的结构以及使用材料确定了，其极化内阻也就确定了。极化电阻只会在电池的寿命后期或者放电后期电池的结构发生明显改变引时才会有改变，但改变量十分有限。

阀控式铅酸蓄电池的内阻并不是常数，随着充放电时间的变化电池的内阻也在变化。这是因为电池内部的活性物质的组成、电解液的浓度、电池的温度都在不断的改变。根据化学原理可知，蓄电池的活性物质的表面的电解质浓度会因放电而下降，而电解质的扩散相对而言是一个很缓慢的过程，因此不能立即补充电极附近电解液的浓度。这就会导致电极附近电解液的浓度会随着放电的持续进行而不断下降，使电解质与电极活性物质的接触更加困难，电化学反应产生的硫酸铅是不良导体，会导致蓄电池的内阻增大。这一系列的变化会导致阀控式铅酸蓄电池的容量减小，并使蓄电池的内阻慢慢增加^[8]。

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